DE102022208620A1 - Microscopy method, especially for fluorescence correlation spectroscopy - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Mikroskopieverfahren, bei dem ein fokussiertes Strahlenbündel einer Anregungsstrahlung (AS) in einen Untersuchungsort (17) eines zu untersuchenden Objekts (7) gerichtet wird, wobei in dem Objekt (7) ein Anregungsvolumen erzeugt wird. Anhand eines Übersichtsbildes wird wenigstens eine Struktur (15) des Objekts (7) identifiziert und mindestens eine der identifizierten Strukturen (15) als eine Referenzstruktur (16) festgelegt. Zwischen der Positionen des Untersuchungsorts (17) und der Referenzstruktur (16) wird eine räumliche Beziehung festgelegt. Aus dem Anregungsvolumen kommende Detektionsstrahlung (DS) werden als Messwerte über eine Gesamtmessdauer erfasst, wobei die Gesamtmessdauer in mehrere Messintervalle unterteilt wird. Vor mindestens jedem zweiten Messintervall wird die aktuelle Position des fokussierten Strahlenbündels mit einer aktuellen Position des Untersuchungsorts (17) verglichen, Bei einer unzulässigen Abweichung der aktuellen Positionen wird die Positionierung des fokussierten Strahlenbündels korrigiert.Die Erfindung betrifft zudem ein Mikroskop (M) zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a microscopy method in which a focused beam of excitation radiation (AS) is directed into an examination site (17) of an object (7) to be examined, an excitation volume being generated in the object (7). At least one structure (15) of the object (7) is identified using an overview image and at least one of the identified structures (15) is defined as a reference structure (16). A spatial relationship is established between the positions of the examination site (17) and the reference structure (16). Detection radiation (DS) coming from the excitation volume is recorded as measured values over a total measurement period, with the total measurement period being divided into several measurement intervals. Before at least every second measurement interval, the current position of the focused beam of rays is compared with a current position of the examination site (17). If there is an unacceptable deviation in the current positions, the positioning of the focused beam of rays is corrected. The invention also relates to a microscope (M) for carrying out the procedure.
Description
Die Erfindung betrifft ein Mikroskopieverfahren, das insbesondere auf dem Gebiet der Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie angewendet werden kann.The invention relates to a microscopy method that can be used in particular in the field of fluorescence correlation spectroscopy.
Auf dem Gebiet der konfokalen scannenden Mikroskopie, insbesondere der konfokalen Laserscanning-Mikroskopie, ist die Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (fluorescence correlation spectroscopy; FCS) eine bewährte Methode, um beispielsweise die Dynamik des Verhaltens von Molekülen in Zellen zu untersuchen.In the field of confocal scanning microscopy, especially confocal laser scanning microscopy, fluorescence correlation spectroscopy (FCS) is a proven method, for example, to investigate the dynamics of the behavior of molecules in cells.
Unter Verwendung eines Laserscanningmikroskops (LSM) kann beispielsweise die Diffusion eines fluoreszenzmarkierten Moleküls oder eines selbst-fluoreszierenden Moleküls in und aus dem konfokalen Volumen des LSM ermittelt werden. Ein konfokales Volumen, im Folgenden auch als Anregungsvolumen bezeichnet, wird im Zusammenwirken mit einem sogenannten Pinhole erzeugt, indem ein Strahlenbündel einer Anregungsstrahlung fokussiert und in ein zu untersuchendes Objekt gerichtet wird. Das Anregungsvolumen besitzt dabei eine Ausdehnung um die optische Achse, entlang der die Anregungsstrahlung eingestrahlt wird (Beleuchtungsachse). Außerdem ist das Anregungsvolumen eine jeweils bestimmte Strecke entlang der optischen Achse (Z-Richtung; Richtung der z-Achse) ausgedehnt.For example, using a laser scanning microscope (LSM), the diffusion of a fluorescently labeled molecule or a self-fluorescent molecule into and out of the confocal volume of the LSM can be determined. A confocal volume, also referred to below as an excitation volume, is created in cooperation with a so-called pinhole by focusing a beam of excitation radiation and directing it into an object to be examined. The excitation volume has an extent around the optical axis along which the excitation radiation is irradiated (illumination axis). In addition, the excitation volume is extended a certain distance along the optical axis (Z direction; direction of the z axis).
Bei der Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie werden Bewegungen und optisches Verhalten fluoreszierender Moleküle erfasst und ausgewertet, die sich im Anregungsvolumen befinden beziehungsweise dieses durchqueren. Die Position des Anregungsvolumens (Untersuchungsort) wird dabei relativ zur Probe über den gesamten Zeitraum einer FCS-Messung konstant gehalten.In fluorescence correlation spectroscopy, the movements and optical behavior of fluorescent molecules that are in the excitation volume or that pass through it are recorded and evaluated. The position of the excitation volume (examination location) is kept constant relative to the sample over the entire period of an FCS measurement.
Allerdings dauern typische FCS-Messungen mehrere Sekunden, gelegentlich bis hin zu Minuten. Da FCS-Messungen normalerweise an lebenden Proben durchgeführt werden, kann sich die Probe, beziehungsweise die zu untersuchenden Strukturen in der Probe, während der FCS-Messung bewegen und damit aus dem Anregungsvolumen herauswandern. Die beobachtete Bewegung eines fluoreszierenden Moleküls ist dann nicht nur durch eine tatsächliche Diffusionsbewegung dieses Moleküls bedingt, sondern wird zusätzlich durch eine unabsichtliche Verschiebung der Probe verfälscht. Infolge einer solchen Verschiebung hat sich die Position des Anregungsvolumens also unerwünscht relativ zur Probe verändert. Bei bestimmten Ausgestaltungen des FCS-Verfahrens können derartige Verschiebungen sehr stören. So werden FCS-Messwerte beispielsweise beim sogenannten Airyscan-FCS potenziell stark beeinflusst, wenn zum Beispiel exakt an einer Oberfläche eine Membran oder in einem Kanal gemessen werden soll (
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit anzugeben, mittels der eine effektive Korrektur auftretender Verschiebungen zwischen Anregungsstrahlung und einem gewünschten Untersuchungsort erfolgt.The object of the invention is to provide a possibility by means of which an effective correction of occurring shifts between excitation radiation and a desired examination location takes place.
Die Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The task is solved with the subject matter of the independent claims. Advantageous further training is the subject of the dependent claims.
Die Lösung der Aufgabe gelingt mit einem Mikroskopieverfahren, bei dem ein fokussiertes Strahlenbündel einer Anregungsstrahlung in einen Untersuchungsort eines zu untersuchenden Objekts gerichtet wird, wobei in dem Objekt ein Anregungsvolumen erzeugt wird. Der Untersuchungsort ist durch die Lage des Anregungsvolumens in dem Objekt bestimmt. Vereinfachend kann angenommen werden, dass bei einer im Wesentlichen senkrecht auf das Objekt gerichteten Anregungsstrahlung der Auftreffort der Anregungsstrahlung auf dem Objekt als Untersuchungsort angesehen werden kann.The problem is solved using a microscopy method in which a focused beam of excitation radiation is directed into an examination site of an object to be examined, with an excitation volume being generated in the object. The examination location is determined by the position of the excitation volume in the object. To simplify, it can be assumed that if the excitation radiation is directed essentially perpendicularly onto the object, the point of impact of the excitation radiation on the object can be viewed as the examination site.
Das Objekt ist insbesondere eine biologische Probe, beispielsweise eine Zelle oder ein Gewebe. Das Objekt kann auch ein Sol, ein Gel, eine Suspension, eine Lösung oder ein für die Anregungsstrahlung und die Fluoreszenzstrahlung hinreichend transparenter Körper sein.The object is in particular a biological sample, for example a cell or a tissue. The object can also be a sol, a gel, a suspension, a solution or a body that is sufficiently transparent for the excitation radiation and the fluorescence radiation.
Anhand mindestens eines entlang einer Bilderfassungsachse erfassten Übersichtsbildes wird wenigstens eine Struktur des Objekts identifiziert. Mindestens eine der identifizierten Strukturen wird als eine Referenzstruktur festgelegt. Das Übersichtsbild erstreckt sich vorzugsweise orthogonal zur Bilderfassungsachse. In weiteren Ausführungen der Erfindung kann sich das Übersichtsbild unter einem Winkel ungleich 90° zur Bilderfassungsachse erstrecken, insbesondere wenn die Bilderfassungsachse unter einem spitzen Winkel auf das Objekt gerichtet ist. Das Übersichtsbild kann mit einer Kamera erfasst werden, die zusätzlich zu einem Detektionsobjektiv beziehungsweise zu einem gemeinsamen Beleuchtungs- und Detektionsobjektiv vorhanden ist. In weiteren Ausführungen der Erfindung kann das Übersichtsbild mittels des Detektors erfasst werden, der auch für die Erfassung der Messwerte, insbesondere von FCS-Messwerten (siehe unten), dient. So kann das Übersichtsbild mittels des Detektors eines scannenden Mikroskops, insbesondere mittels des Detektors eines Laserscanningmikroskops (LSM), erfasst werden. In der letzteren Ausführung fällt die Bilderfassungsachse mit einer optischen Achse des für die Detektion verwendeten Objektivs zusammen. Eine weitere mögliche Ausführung der Erfindung nutzt den Detektionsstrahlengang des scannenden Mikroskops, verwendet aber für die Erfassung eines Übersichtsbildes einen weiteren Detektor. Dazu kann die erfasste Strahlung zum Zweck der Erfassung des Übersichtsbildes wahlweise auf den weiteren Detektor gelenkt werden.At least one structure of the object is identified based on at least one overview image captured along an image capture axis. At least one of the identified structures is set as a reference structure. The overview image preferably extends orthogonally to the image capture axis. In further embodiments of the invention, the overview image can extend at an angle other than 90° to the image capture axis, in particular if the image capture axis is directed at the object at an acute angle. The overview image can be captured with a camera that is present in addition to a detection lens or a common illumination and detection lens. In further embodiments of the invention, the overview image can be captured using the detector, which is also used to capture the measured values, in particular FCS measured values (see below). The overview image can be created using the detector scanning microscope, in particular by means of the detector of a laser scanning microscope (LSM). In the latter embodiment, the image capture axis coincides with an optical axis of the lens used for detection. Another possible embodiment of the invention uses the detection beam path of the scanning microscope, but uses a further detector to capture an overview image. For this purpose, the detected radiation can optionally be directed to the further detector for the purpose of capturing the overview image.
Die mindestens eine Referenzstruktur ist dabei zum Beispiel ein Abschnitt einer Zellmembran oder Zellwand, einer Halte- und Stützstruktur wie Kollagenfasern oder ein Abschnitt von Zellorganellen wie des endoplasmatischen Reticulums, von Mitochondrien, Chloroplasten oder Vakuolen. Vorzugsweise werden solche Strukturen als Referenzstrukturen ausgewählt, bei denen während einer angestrebten Gesamtmessdauer des Verfahrens mit keiner oder nur einer vernachlässigbaren Veränderungen ihrer Position bezüglich des Untersuchungsortes zu rechnen ist. Von der Referenzstruktur wird beispielsweise ein Bezugspunkt ausgewählt und festgelegt. Es ist auch möglich, einen geometrischen Schwerpunkt der Referenzstruktur zu ermitteln. Um die Genauigkeit der Positionskontrolle zu verbessern, können mehrere Referenzpunkte und/oder Schwerpunkte verschiedener Referenzstrukturen festgelegt werden. Ein solches Vorgehen erlaubt eine Prüfung der Plausibilität mehrerer Ergebnisse einer räumlichen Beziehung (siehe unten) untereinander. Außerdem ist es dann möglich, jeweils nur diejenigen Referenzpunkte beziehungsweise Schwerpunkte zu berücksichtigen, die eindeutig ermittelt werden können beziehungsweise deren Ergebnisse plausibel sind. Eine eindeutige Ermittlung des Bezugspunkts kann zum Beispiel infolge einer ungünstigen relativen Lage der Referenzstruktur während der Erfassung eines der Übersichtsbilder erschwert oder verhindert sein.The at least one reference structure is, for example, a section of a cell membrane or cell wall, a holding and supporting structure such as collagen fibers or a section of cell organelles such as the endoplasmic reticulum, mitochondria, chloroplasts or vacuoles. Preferably, such structures are selected as reference structures in which no or only negligible changes in their position with respect to the examination site are to be expected during the desired total measurement duration of the method. For example, a reference point is selected and defined by the reference structure. It is also possible to determine a geometric center of gravity of the reference structure. In order to improve the accuracy of position control, multiple reference points and/or centers of gravity of different reference structures can be defined. Such an approach allows the plausibility of several results of a spatial relationship (see below) to be checked with one another. In addition, it is then possible to only take into account those reference points or focal points that can be clearly determined or whose results are plausible. A clear determination of the reference point can be made more difficult or prevented, for example, as a result of an unfavorable relative position of the reference structure during the capture of one of the overview images.
Der Untersuchungsort kann anhand des Übersichtsbilds festgelegt werden. Es ist auch möglich, den Untersuchungsort auszuwählen und erst dann nach einer geeigneten Referenzstruktur im Umfeld des Untersuchungsortes zu suchen.The examination location can be determined using the overview image. It is also possible to select the examination site and only then search for a suitable reference structure in the area surrounding the examination site.
Die Festlegung des Untersuchungsorts kann manuell durch einen Anwender des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgen. Vorteilhaft erfolgt diese jedoch mittels bekannter Verfahren der Bildauswertung und/oder unter Anwendung von Verfahren der Bildauswertung auf der Basis maschinellen Lernens und/oder künstlicher Intelligenz.The examination location can be determined manually by a user of the method according to the invention. However, this is advantageously carried out using known image evaluation methods and/or using image evaluation methods based on machine learning and/or artificial intelligence.
Die Bilderfassungsachse und eine Beleuchtungsachse sind vorteilhaft parallel zueinander ausgerichtet und weisen vorteilhaft keinen oder nur einen geringen lateralen Versatz zueinander auf. Auf diese Weise wird weniger Rechenleistung benötigt, um die entlang jeder beiden Achse erfassten Informationen miteinander in Beziehung zu setzen.The image capture axis and an illumination axis are advantageously aligned parallel to one another and advantageously have no or only a small lateral offset from one another. In this way, less computing power is required to correlate the information collected along each two axes.
Zwischen der Position des Untersuchungsorts und dem Bezugspunkt beziehungsweise dem Schwerpunkt der Referenzstruktur wird eine räumliche Beziehung festgelegt. Im Folgenden wird der Einfachheit halber auf eine Referenzstruktur Bezug genommen. Eine solche Beziehung kann beispielsweise in Form einer Berechnungsvorschrift oder einer Angabe von Positionen in einem Koordinatensystem und deren Abweichung voneinander (Distanzen und Richtungen; Vektoren) festgelegt und abgespeichert werden. Mit diesem Schritt des Verfahrens kann eine Soll-Position des Untersuchungsorts jederzeit anhand einer aktuellen Position der Referenzstruktur ermittelt, insbesondere berechnet werden.A spatial relationship is established between the position of the examination site and the reference point or center of gravity of the reference structure. For the sake of simplicity, reference is made below to a reference structure. Such a relationship can be defined and saved, for example, in the form of a calculation rule or a specification of positions in a coordinate system and their deviation from one another (distances and directions; vectors). With this step of the method, a target position of the examination location can be determined, in particular calculated, at any time based on a current position of the reference structure.
Entsprechend werden mehrere räumliche Beziehungen festgelegt, wenn mehrere Referenzstrukturen ausgewählt wurden. Das Verfahren kann eine Plausibilitätsprüfung der Ergebnisse der Berechnungen zur räumlichen Beziehung umfassen. Mittels dieser kann beispielsweise bei der Berücksichtigung mehrerer Referenzstrukturen geprüft werden, ob die Ergebnisse konsistent sind oder ob zum Beispiel ein einzelnes Ergebnis mehr als zulässig von den anderen Ergebnissen abweicht. In einem solchen Fall kann das stark abweichende Ergebnis beispielsweise verworfen werden.Accordingly, multiple spatial relationships are established when multiple reference structures are selected. The method may include a plausibility check of the results of the spatial relationship calculations. This can be used, for example, when taking into account several reference structures, to check whether the results are consistent or, for example, whether an individual result deviates from the other results by more than permissible. In such a case, the strongly different result can, for example, be rejected.
Sind innerhalb des Anregungsvolumens zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung anregbare Moleküle vorhanden, werden diese durch Wirkung der Anregungsstrahlung im Anregungsvolumen zur Emission von Fluoreszenzstrahlung angeregt, die nachfolgend als Detektionsstrahlung erfasst und in Form von Messwerten gespeichert wird.If molecules that can be stimulated to emit fluorescent radiation are present within the excitation volume, these are stimulated by the action of the excitation radiation in the excitation volume to emit fluorescent radiation, which is subsequently recorded as detection radiation and stored in the form of measured values.
Die für eine Erfassung von Messwerten im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehene Gesamtmessdauer wird in mehrere Messintervalle unterteilt. Es werden also innerhalb der Verfahrensausführung mindestens in zwei Messintervallen Messwerte erfasst.The total measurement time intended for recording measured values as part of the method according to the invention is divided into several measurement intervals. Measured values are therefore recorded at least in two measurement intervals during the execution of the method.
Mindestens vor jedem zweiten Messintervall, vorzugsweise aber vor jedem Messintervall, wird die aktuelle Position des fokussierten Strahlenbündels mit einer aktuellen Position des Untersuchungsorts verglichen. Dies erfolgt, indem eine aktuelle Position der Referenzstruktur ermittelt und anhand der räumlichen Beziehung die aktuelle Position des Untersuchungsorts ermittelt wird. Auf diese Weise kann eine aktuelle Ist-Position des Untersuchungsorts, die durch deren relativer Lage zur ausgewählten Referenzstruktur festgelegt ist, mit der aktuellen Ist-Position des fokussierten Strahlenbündels verglichen werden. Wird eine unzulässige Abweichung der aktuellen Positionen von fokussiertem Strahlenbündel und Untersuchungsort festgestellt, wird die Positionierung des fokussierten Strahlenbündels korrigiert. Dabei können allgemein bekannte Algorithmen wie zum Beispiel die Kreuzkorrelation angewendet werden, um die Abweichungen sowie die erforderlichen Korrekturbewegungen zu ermitteln.At least before every second measurement interval, but preferably before each measurement interval, the current position of the focused beam of rays is compared with a current position of the examination site. This is done by determining a current position of the reference structure and using the spatial relationship to determine the current position of the examination location. In this way, a current actual position of the examination location, which is determined by its relative position to the selected reference limit structure is set, can be compared with the current actual position of the focused beam of rays. If an unacceptable deviation between the current positions of the focused beam of rays and the examination site is detected, the positioning of the focused beam of rays is corrected. Well-known algorithms such as cross-correlation can be used to determine the deviations and the necessary correction movements.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann optional weitere Schritte umfassen.The method according to the invention can optionally include further steps.
Kern der Erfindung ist eine Verfahrensführung, mittels der einerseits über hinreichend lange Zeiträume Messwerte erfasst und ausgewertet werden können, andererseits aber eine regelmäßige Kontrolle und optionale Korrektur der Positionierungen von fokussiertem Strahlenbündel der Anregungsstrahlung, im Ergebnis also des Anregungsvolumens, in Hinblick auf den gewünschten Untersuchungsort erfolgen kann.The core of the invention is a procedure by means of which, on the one hand, measured values can be recorded and evaluated over sufficiently long periods of time, but on the other hand, a regular control and optional correction of the positioning of the focused beam of the excitation radiation, as a result of the excitation volume, can be carried out with regard to the desired examination location can.
Im Gegensatz zu bekannten Verfahren des „Single-Particle tracking“ (z.B. Andrew J. Berglund und Hideo Mabuchi, 2005; „Tracking-FCS: Fluorescence correlation spectroscopy of individual particles“, Optics Express Vol. 13, Issue 20, pp. 8069-8082; https://doi.org/10.1364/OPEX.13.008069), wird nicht ein einzelnes fluoreszierendes Molekül auf seiner Bahn verfolgt, sondern es wird mindestens eine nicht zu vermessende Referenzstruktur verwendet und das Strahlenbündel der fokussierten Anregungsstrahlung relativ zur Referenzstruktur konstant zu halten. Durch das Anregungsvolumen können dann beliebig Moleküle hindurch diffundieren, die gegebenenfalls zur Emission von Fluoreszenzstrahlung angeregt, jedoch nicht weiterverfolgt werden, wenn sie das Anregungsvolumen verlassen haben.In contrast to well-known methods of “single-particle tracking” (e.g. Andrew J. Berglund and Hideo Mabuchi, 2005; “Tracking-FCS: Fluorescence correlation spectroscopy of individual particles”, Optics Express Vol. 13, Issue 20, pp. 8069- 8082; https://doi.org/10.1364/OPEX.13.008069), not a single fluorescent molecule is followed on its path, but at least one reference structure that cannot be measured is used and the beam of the focused excitation radiation is kept constant relative to the reference structure . Any molecules can then diffuse through the excitation volume, which may be excited to emit fluorescent radiation, but cannot be pursued further once they have left the excitation volume.
Bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Mikroskopieverfahrens werden die Messwerte über eine Mehrzahl von Messintervallen erfasst, wobei jedes der Messintervalle eine Dauer von mindestens 0,5 Sekunden aufweist. Mit einer Dauer der Messintervalle von mindestens 0,5 Sekunden, vorteilhaft von einer Sekunde bei einer Gesamtmessdauer von beispielsweise zehn Sekunden, ist ein vorteilhaftes Verhältnis zwischen den Dauern der Messwerterfassung und einer Häufigkeit der Kontrollintervalle der aktuellen Positionierungen erreicht. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden Messintervalle von jeweils zehn Sekunden bei einer Gesamtmessdauer von 100 Sekunden verwendet.When carrying out a microscopy method according to the invention, the measured values are recorded over a plurality of measurement intervals, each of the measurement intervals having a duration of at least 0.5 seconds. With a duration of the measurement intervals of at least 0.5 seconds, advantageously one second with a total measurement duration of, for example, ten seconds, an advantageous relationship between the duration of the measured value acquisition and a frequency of the control intervals of the current positioning is achieved. In a further advantageous embodiment of the invention, measuring intervals of ten seconds each are used with a total measuring time of 100 seconds.
Um vor jedem der Messintervalle den Vergleich der aktuellen Position des fokussierten Strahlenbündels mit der aktuellen Position des Untersuchungsorts durchzuführen, wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens mindestens ein Übersichtsbild des Objekts aufgenommen. Das Übersichtsbild erstreckt sich vorteilhaft orthogonal zur Bilderfassungsachse. Es kann aber auch unter einem Erfassungswinkel ungleich 90° erfasst werden, was einen erhöhten Rechenbedarf zur Auswertung des Übersichtsbildes bedingt. Diese Übersichtsbilder können optional ein kleineres Objektfeld um die Bilderfassungsachse abdecken als das für die Identifizierung der Strukturen verwendete Übersichtsbild.In order to carry out the comparison of the current position of the focused beam of rays with the current position of the examination site before each of the measurement intervals, in an advantageous embodiment of the method, at least one overview image of the object is recorded. The overview image advantageously extends orthogonally to the image capture axis. However, it can also be recorded at a detection angle other than 90°, which requires increased calculations to evaluate the overview image. These overview images can optionally cover a smaller object field around the image acquisition axis than the overview image used to identify the structures.
Vor dem ersten Messintervall kann dasjenige Übersichtsbild für den Vergleich der Positionen verwendet werden, das auch für die Identifizierung der Strukturen herangezogen wurde.Before the first measurement interval, the overview image that was also used to identify the structures can be used to compare the positions.
Die Übersichtsbilder können Weitfeldbilder oder mittels eines LSM erfasste Bilder sein. Abhängig von den optischen Eigenschaften des Objekts können Bildgebungsverfahren wie Kontrastverfahren, Fluoreszenzbildgebung oder eben die Laserscanningmikroskopie angewendet werden.The overview images can be wide-field images or images captured using an LSM. Depending on the optical properties of the object, imaging methods such as contrast methods, fluorescence imaging or laser scanning microscopy can be used.
Mit der Nutzung eines Übersichtsbildes, das sich insbesondere im Wesentlichen in einer x-y-Ebene eines kartesischen Koordinatensystems erstreckt, kann eine mögliche Abweichung der Positionen von fokussierten Strahlenbündel der Anregungsstrahlung und Untersuchungsort ermittelt werden. Um auch eine Korrektur in Z-Richtung zu ermöglichen, kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens der Vergleich der aktuellen Position des fokussierten Strahlenbündels mit der aktuellen Position des Untersuchungsorts anhand eines Stapels von Übersichtsbildern durchgeführt wird, wobei sich die Übersichtsbilder orthogonal zur Bilderfassungsachse erstrecken und entlang der Bilderfassungsachse, also in Richtung der z-Achse, gestapelt sind. Ein solcher Stapel (Z-Stapel) kann zur Begrenzung der für die Positionskontrolle erforderlichen Zeit beispielsweise lediglich drei bis fünf Übersichtsbilder in verschiedenen Ebenen aufweisen. Derartige Z-Stapel können auch für die Identifizierung und Festlegung der Strukturen beziehungsweise der mindestens einen Referenzstruktur verwendet werden.By using an overview image, which extends in particular essentially in an xy plane of a Cartesian coordinate system, a possible deviation in the positions of focused beams of excitation radiation and the examination location can be determined. In order to also enable a correction in the Z direction, in a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the comparison of the current position of the focused beam of rays with the current position of the examination site can be carried out using a stack of overview images, the overview images extending orthogonally to the image acquisition axis and are stacked along the image capture axis, i.e. in the direction of the z-axis. To limit the time required for position control, such a stack (Z-stack) can, for example, only have three to five overview images in different levels. Such Z-stacks can also be used to identify and define the structures or the at least one reference structure.
Um eine verlässliche Reproduzierbarkeit von Entscheidungen zur Identifizierung und Auswahl der Strukturen sowie zur Festlegung der Referenzstruktur(-en) und/oder der Auswahl und Festlegung des Untersuchungsorts zu erreichen, können diese Verfahrensschritte einzeln oder sämtlich automatisiert sein. Dazu können die genannten Vorgänge mittels bekannter Verfahren der Bildauswertung ausgeführt werden, wobei anhand einstellbarer und dokumentierter Parameter die gefallenen Entscheidungen vorteilhaft nachvollzogen und überprüft werden können.In order to achieve reliable reproducibility of decisions regarding the identification and selection of the structures as well as the determination of the reference structure(s) and/or the selection and determination of the examination location, these process steps can be automated individually or in their entirety. For this purpose, the processes mentioned can be carried out using known image evaluation methods the decisions made can be advantageously tracked and checked using adjustable and documented parameters.
Zusätzlich oder alternativ können Verfahren der Bildauswertung auf der Basis maschinellen Lernens und/oder künstlicher Intelligenz angewendet werden, um einige oder alle Vorgänge zur Identifizierung, Auswahl und Festlegung durchzuführen.Additionally or alternatively, image evaluation methods based on machine learning and/or artificial intelligence may be used to perform some or all of the identification, selection and determination processes.
Anders als im Stand der Technik werden mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens Messwerte eines vollständigen Messvorgangs in Intervallen erfasst und wiederholt eine Kontrolle und gegebenenfalls eine Korrektur der Positionen durchgeführt. Die während der Messintervalle erfassten Messwerte können nach Ablauf der Gesamtmessdauer des Messvorgangs auf verschiedenen Wegen ausgewertet werden. Einmal ist es möglich, die Messwerte der Messintervalle zu mitteln oder aufzusummieren. Andererseits können die Messwerte der einzelnen Messintervalle zu einem gemeinsamen Messintervall aneinandergereiht und eine Auswertung über die gesamte Dauer der aufsummierten Messintervalle durchgeführt werden. Weiterhin ist es möglich, die Messwerte der einzelnen Messintervalle separat auszuwerten, wobei diese beispielsweise an mathematische Modelle angepasst („fitting“) werden. Die dabei ermittelten Ergebnisse, insbesondere die zum Anpassen an die Modelle verwendeten Faktoren und/oder Terme („Fitparameter“), können anschließend gemittelt werden.Unlike in the prior art, using the method according to the invention, measured values of a complete measuring process are recorded at intervals and the positions are repeatedly checked and, if necessary, corrected. The measured values recorded during the measuring intervals can be evaluated in various ways after the total measuring period of the measuring process has expired. Firstly, it is possible to average or sum up the measured values of the measuring intervals. On the other hand, the measured values of the individual measuring intervals can be strung together to form a common measuring interval and an evaluation can be carried out over the entire duration of the summed up measuring intervals. It is also possible to evaluate the measured values of the individual measuring intervals separately, for example by adapting them to mathematical models (“fitting”). The results determined, in particular the factors and/or terms used to fit the models (“fit parameters”), can then be averaged.
Es ist für alle Wege der Auswertung möglich, eine Auswahl von Messintervallen zu treffen, anhand derer die Auswertung vorgenommen wird. Es können also alle oder nur einige der Messintervalle ausgewählt und berücksichtigt werden.For all evaluation methods, it is possible to make a selection of measurement intervals based on which the evaluation is carried out. All or only some of the measurement intervals can be selected and taken into account.
Das erfindungsgemäße Mikroskopieverfahren ist besonders vorteilhaft in der Ausgestaltung als ein Fluoreszenzkorrelationsspektroskopieverfahren (FCS-Verfahren) verwendbar.The microscopy method according to the invention can be used particularly advantageously in the embodiment as a fluorescence correlation spectroscopy method (FCS method).
Um das Verfahren auszuführen, kann ein Mikroskop oder eine optische Vorrichtung verwendet werden, die insbesondere für die Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie eingesetzt wird. Eine solche Vorrichtung weist neben den erforderlichen optischen Elementen und Strahlengängen eine Steuereinheit auf, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert ist. Das erfindungsgemäße Mikroskop weist zudem in einem Anregungsstrahlengang eine Scanvorrichtung und/oder einen gesteuert verfahrbaren Probentisch zur Ausrichtung einer relativen Lage von fokussiertem Strahlenbündel und einem zu untersuchenden Objekt auf.To carry out the method, a microscope or an optical device can be used, which is used in particular for fluorescence correlation spectroscopy. In addition to the required optical elements and beam paths, such a device has a control unit that is configured to carry out the method according to the invention. The microscope according to the invention also has a scanning device and/or a controlled movable sample table in an excitation beam path for aligning a relative position of the focused beam of rays and an object to be examined.
Die Steuereinheit kann beispielsweise ein PC, ein FPGA, eine CPU oder ein Microcontroller sein. Die Steuereinheit empfängt dabei die während der Messintervalle erfassten Messwerte und speichert diese ab. Sie ist außerdem zur Identifizierung der Strukturen und optional zur Auswahl der Referenzstruktur, zur Ermittlung der räumlichen Beziehung und optional zur Berechnung der aktuellen Positionen konfiguriert. Die Steuereinheit erzeugt auf der Grundlage der ermittelten Positionen von fokussierten Strahlenbündel und Untersuchungsort Steuerbefehle. Diese werden an Antriebe wenigstens einer Scanvorrichtung im Anregungsstrahlengang und/oder eines Probentisches übermittelt. Infolge der Ausführung der Steuerbefehle werden die Positionierungen von Strahlenbündel und Untersuchungsort bei Bedarf korrigiert.The control unit can be, for example, a PC, an FPGA, a CPU or a microcontroller. The control unit receives the measured values recorded during the measuring intervals and saves them. It is also configured to identify the structures and optionally select the reference structure, determine the spatial relationship and optionally calculate the current positions. The control unit generates control commands based on the determined positions of the focused beam of rays and the examination location. These are transmitted to drives of at least one scanning device in the excitation beam path and/or a sample table. As a result of the execution of the control commands, the positioning of the beam and examination site is corrected if necessary.
In einem Detektionsstrahlengang ist ein Detektor zur Erfassung eines Übersichtsbildes eines zu untersuchenden Objekts sowie ein Detektor zur Erfassung von Fluoreszenzstrahlung angeordnet. Die zu erfassende Fluoreszenzstrahlung wird durch Wirkung der Anregungsstrahlung in dem Objekt angeregt und von diesem emittiert.A detector for capturing an overview image of an object to be examined and a detector for detecting fluorescent radiation are arranged in a detection beam path. The fluorescent radiation to be detected is excited by the effect of the excitation radiation in the object and emitted by it.
In weiteren Ausführungen der Vorrichtung kann eine zusätzliche Kamera zur Erfassung des Übersichtsbildes vorhanden sein.In further embodiments of the device, an additional camera can be present for capturing the overview image.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Abbildungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Mikroskops; -
2 ein vergrößerter Bildausschnitt von Objektiv und Kamera gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Mikroskops; -
3 eine schematisierte Darstellung eines zu untersuchenden Objekts sowie identifizierte Strukturen des Objekts und beispielhafte Lagen eines Untersuchungsorts in einer Draufsicht; und -
4 ein Ablaufdiagramm einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 a schematic representation of a first embodiment of a microscope according to the invention; -
2 an enlarged image detail of the lens and camera according to a second exemplary embodiment of the microscope according to the invention; -
3 a schematic representation of an object to be examined as well as identified structures of the object and exemplary locations of an examination site in a top view; and -
4 a flowchart of an embodiment of the method according to the invention.
Die Abbildungen sind stark vereinfacht und beschränken sich in der Darstellung auf die zur Erläuterung erforderlichen technischen Elemente. Ebenso sind die Strahlengänge stark vereinfacht gezeigt.The illustrations are very simplified and are limited to the technical elements required for explanation. The beam paths are also shown in a very simplified manner.
Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung, insbesondere eines Mikroskops M, umfasst eine Lichtquelle 1, beispielsweise eine Laserlichtquelle, von der ausgehend ein Strahlenbündel einer Anregungsstrahlung AS ausgesendet und entlang eines Anregungsstrahlengangs 2 geführt wird (
Die Anregungsstrahlung AS trifft auf einen Hauptfarbteiler 3, der für die Anregungsstrahlung AS durchlässig ist und diese passieren lässt. Nach dem Hauptfarbteiler 3 durchläuft die Anregungsstrahlung AS einen Abschnitt des Strahlengangs der Vorrichtung, der als gemeinsamer Strahlengang 29 bezeichnet wird und entlang dem die Anregungsstrahlung AS und eine Detektionsstrahlung DS (siehe unten) gemeinsam geführt sind beziehungsweise gemeinsam geführt werden können.The excitation radiation AS impinges on a
Mittels eines nachfolgend angeordneten Scanners 5 kann das zuvor mittels eines Spiegels 4 umgelenkte Strahlenbündel der Anregungsstrahlung AS gesteuert abgelenkt und in die Eintrittspupille EP eines Objektivs 6 gerichtet werden. Der Spiegel 4 erlaubt eine kompakte Bauweise und kann in weiteren Ausführungen der Vorrichtung fehlen, wenn keine Umlenkung des Anregungsstrahlengangs 2 erforderlich oder vorgesehen ist.By means of a subsequently arranged
Die mittels des Scanners 5 gesteuert abgelenkte Anregungsstrahlung AS wird durch Wirkung des Objektivs 6 in einen Probenraum fokussiert, in dem ein zu untersuchendes Objekt 7 (Probe 7) auf einem Probentisch 8 vorhanden sein kann. Die derart fokussiert eingestrahlte Anregungsstrahlung AS bewirkt in der Probe 7 ein konfokales Anregungsvolumen (nicht dargestellt). Der Probentisch 8 ist optional mittels eines Antriebs 13 gesteuert mindestens in der x-y-Ebene, optional auch in Richtung der Z-Achse, verstellbar.The excitation radiation AS, which is deflected in a controlled manner by means of the
Eine in der Probe 7 durch die Anregungsstrahlung AS in dem konfokalen Anregungsvolumen bewirkte Detektionsstrahlung DS wird mit dem Objektiv 6 erfasst und entlang eines Detektionsstrahlengangs 9 (mit unterbrochenen Volllinien gezeigt), der bis zum Hauptfarbteiler 3 mit dem Anregungsstrahlengang 2 zusammenfällt (gemeinsamer Strahlengang 29), geführt.A detection radiation DS caused in the sample 7 by the excitation radiation AS in the confocal excitation volume is detected with the
In weiteren Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Detektionsstrahlung DS mittels eines weiteren Objektivs (nicht gezeigt) erfasst werden. In einem solchen Fall können Anregungsstrahlengang 2 und Detektionsstrahlengang 9 vollständig voneinander getrennt sein oder diese werden, beispielsweise mittels eines weiteren Farbteilers (nicht gezeigt), wieder zu dem gemeinsamen Strahlengang 29 vereinigt.In further embodiments of the device according to the invention, the detection radiation DS can be detected using a further objective (not shown). In such a case, the
Die Detektionsstrahlung DS wird im dargestellten Ausführungsbeispiel infolge des Passierens des Scanners 5 in einen ruhenden Strahl überführt („descannt“) und gelangt zum Hautfarbteiler 3. Dieser ist für die Wellenlänge der Detektionsstrahlung DS, die von der Wellenlänge der Anregungsstrahlung AS verschieden ist, reflektierend. Die am Hauptfarbteiler 3 reflektierte Detektionsstrahlung DS gelangt zu einer im Detektionsstrahlengang 9 vorhandenen Optik 10. Diese richtet die Detektionsstrahlung DS auf einen Detektor 12. In weiteren Ausführungen können die Durchlässigkeit und die Reflektivität des Hauptfarbteilers 3 auch umgedreht umgesetzt sein, sodass die Anregungsstrahlung AS reflektiert und die Detektionsstrahlung DS durchgelassen wird. Entsprechend sind dann die Strahlengänge 2 und 9 zu gestalten.In the exemplary embodiment shown, the detection radiation DS is converted into a stationary beam (“descanned”) as a result of passing through the
Dem Detektor 12 kann in weiteren Ausführungen in einer Zwischenbildebene ein Pinhole (nicht gezeigt) in Form einer Lochblende oder Schlitzblende vorgeordnet sein, um außerfokale Anteile der Detektionsstrahlung DS abzublenden. Soll der Detektor 12 auch zur Erfassung des Übersichtsbildes verwendet werden, ist das Pinhole vorteilhaft hinsichtlich seiner Öffnung einstellbar und/oder kann in den Detektionsstrahlengang 9 hinein beziehungsweise aus dem Detektionsstrahlengang 9 heraus bewegt werden. In einer solchen Ausführung der Erfindung kann der Detektor 12 beispielsweise ein Sekundärelektronenvervielfacher (Photonmultiplier; PMT) sein. Das Pinhole ist vorteilhaft hinsichtlich seiner Öffnungsweite gesteuert einstellbar und/oder in beziehungsweise aus dem Detektionsstrahlengang 9In further embodiments, the
Der Detektor 12 kann in einer weiteren Ausführung ein Array aus einer Anzahl einzeln auslesbarer Detektorelemente sein, wie dies beispielsweise bei einem Airy-Detektor (siehe oben) oder einem SPAD-Array (Single Photon Avalanche Diode) der Fall ist. Der Detektor12 ist dann in einer Zwischenbildebene angeordnet, wobei die Detektorelemente jeweils als ein Pinhole fungieren. Vorteilhaft können Detektorelemente wahlweise zusammengeschaltet werden, um so eine Größe eines resultierenden Pinholes einzustellen. Diese Konfiguration ist insbesondere für eine Ausgestaltung als FCS-Verfahren geeignet.In a further embodiment, the
Um die für das erfindungsgemäße Verfahren erforderlichen Übersichtsbilder erfassen und bereitstellen zu können, kann eine Kamera 14 vorhanden sein, deren Bilderfassungsachse BeA in einem bekannten Winkel zur Beleuchtungsachse BA (entspricht der optischen Achse oA des Anregungsstrahlengangs 2) und auf die Probe 7 gerichtet ist. Eine geneigte Anordnung der Kamera 14 ist bei geringem verfügbaren Bauraum und/oder bei großer Dimensionierung der Kamera 14 technisch sinnvoll.In order to be able to capture and provide the overview images required for the method according to the invention, a
Ist die Kamera 14 im Verhältnis zum Objektiv 6 hinreichend klein dimensioniert, können die Beleuchtungsachse BA sowie die Bilderfassungsachse BeA unter einem kleinen Winkel bis zu 25° oder parallel zueinander ausgerichtet sein, wie dies beispielhaft im vergrößerten Bildausschnitt der
Der Scanner 5, der Antrieb 13, die Kamera 14 sowie optional die Lichtquelle 1 stehen mit der Steuereinheit 11 in einer zum Austausch von Daten und Steuerbefehlen geeigneten Verbindung. Die Steuereinheit 11 ist beispielsweise ein Rechner oder ein geeigneter Steuerschaltkreis.The
Optional können die Steuereinheit 11 und der Detektor 12 miteinander verbunden sein, um zum Beispiel der Steuereinheit 11 anhand der erfassten Helligkeitsinformationen des Detektors 12 die Generierung von Steuerbefehlen zu ermöglichen und/oder um diese zu validieren. Diese Steuerbefehle dienen beispielsweise dazu, die Lichtquelle 1, den Scanner 5 und/oder den optionalen Antrieb 13 des Probentischs 8 anzusteuern.Optionally, the
Die
Durch den Anwender oder mittels eines Algorithmus wird, beispielsweise anhand des Übersichtsbildes, ein Untersuchungsort 17 festgelegt, an dem die Messung, insbesondere eine FCS-Messung, erfolgen soll. Zwischen der Referenzstruktur 16 und dem Untersuchungsort 17 wird eine räumliche Beziehung ermittelt, die beispielsweise durch einen Winkel α (alpha) und eine Distanz d gegeben ist.The user or by means of an algorithm, for example based on the overview image, determines an
In den Untersuchungsort 17 wird das fokussierte Strahlenbündel der Anregungsstrahlung AS gerichtet und während der Dauer eines ersten Messintervalls (siehe
Nach dem ersten Messintervall wird die Anregungsstrahlung AS abgeschaltet oder abgeblendet und es wird ein weiteres Übersichtsbild erfasst. Dieses kann einen kleineren Bereich der Probe 7 als das anfänglich genutzte Übersichtsbild erfassen. Die aktuellen Positionen (Ist-Positionen) der Referenzstruktur 16 und des Untersuchungsorts 17 werden bestimmt. Die aktuelle Position der Referenzstruktur 16 kann aus dem neu erfassten Übersichtsbild ermittelt werden. Anhand der räumlichen Beziehung zum Untersuchungsort 17 kann daraufhin dessen aktuelle Position ermittelt werden. Zugleich ist aufgrund beispielsweise der Auslenkung des Scanners 5 und/oder der Positionierung des Probentischs 8 die aktuelle Ausrichtung des Strahlenbündels der Anregungsstrahlung AS bekannt. Stimmen der Auftreffort der Anregungsstrahlung AS und der Untersuchungsort 17 hinreichend überein, weichen also deren Ist-Positionen nicht mehr als ein zulässiges Toleranzmaß voneinander ab und stimmen also Ist-Positionen und Soll-Positionen überein, wird die FCS-Messung im nächsten Messintervall fortgesetzt.After the first measurement interval, the excitation radiation AS is switched off or dimmed and another overview image is captured. This can capture a smaller area of the sample 7 than the overview image used initially. The current positions (actual positions) of the reference structure 16 and the
Weichen dagegen Auftreffort der Anregungsstrahlung AS und der Untersuchungsort 17 in unzulässiger Weise voneinander ab, wird die relative Lage beider zueinander korrigiert. In
Die beschriebene Kontrolle und erforderlichenfalls die Korrektur der Positionen von Untersuchungsort 17 und Anregungsstrahlung AS wird vor jedem weiteren Messintervall durchgeführt, bis eine zuvor festgelegte Anzahl von Messintervallen durchlaufen ist oder der Vorgang durch einen Anwender beendet wird.The control described and, if necessary, the correction of the positions of the
Die Dauer der einzelnen Messintervalle entspricht einer Gesamtmessdauer der FCS-Messung. Für einer nachfolgende Auswertung der erfassten FCS-Messwerte können die Messintervalle zu einem gemeinsamen Messintervall aneinandergereiht und als eine zeitlich zusammenhängende Sequenz ausgewertet werden. Es ist auch möglich, einige der Messintervalle für die Auswertung auszuwählen. In einer weiteren Verfahrensausgestaltung werden die FCS-Messwerte der Messintervalle gemittelt und das so erhaltene Messintervall mit den gemittelten Werten ausgewertet. Ferner können Messwerte der Messintervalle an mathematische Modelle angepasst und die dabei erhaltenen Ergebnisse weiter verwendet, beispielsweise gemittelt, werden.The duration of the individual measurement intervals corresponds to the total measurement duration of the FCS measurement. For a subsequent evaluation of the recorded FCS measurement values, the measurement intervals can be strung together to form a common measurement interval and evaluated as a temporally coherent sequence. It is also possible, select some of the measurement intervals for the evaluation. In a further embodiment of the method, the FCS measured values of the measurement intervals are averaged and the measurement interval thus obtained is evaluated with the averaged values. Furthermore, measured values of the measurement intervals can be adapted to mathematical models and the results obtained can be further used, for example averaged.
BezugszeichenReference symbols
- 11
- Lichtquellelight source
- 22
- Anregungsstrahlengangexcitation beam path
- 33
- HauptfarbteilerMain color divider
- 44
- SpiegelMirror
- 55
- Scannerscanner
- 66
- Objektivlens
- 77
- Probesample
- 88th
- ProbentischSample table
- 99
- DetektionsstrahlengangDetection beam path
- 1010
- Optikoptics
- 1111
- SteuereinheitControl unit
- 1212
- Detektordetector
- 1313
- Antrieb (des Probentischs 8)Drive (of the sample table 8)
- 1414
- Kameracamera
- 1515
- Strukturstructure
- 1616
- ReferenzstrukturReference structure
- 1717
- UntersuchungsortExamination location
- 2929
- gemeinsamer Strahlengangcommon beam path
- ASAS
- Anregungsstrahlungexcitation radiation
- BAB.A
- BeleuchtungsachseIllumination axis
- BeABeA
- BilderfassungsachseImage capture axis
- DSD.S
- DetektionsstrahlungDetection radiation
- dd
- Distanzdistance
- EPE.P
- Eintrittspupille (des Objektivs 6)Entrance pupil (of lens 6)
- MM
- Mikroskopmicroscope
- oAoA
- optische Achse (des Detektionsstrahlengangs 9)optical axis (of the detection beam path 9)
- alphaalpha
- Winkelangle
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
- L. Scipioni, L. Lanzanó, A. Diaspro & E. Gratton, 2018; „Comprehensive correlation analysis for superresolution dynamic fingerprinting of cellular compartments using the Zeiss Airyscan detector“, NATURE COMMUNICATIONS 9: 5120 [0005]L. Scipioni, L. Lanzanó, A. Diaspro & E. Gratton, 2018; “Comprehensive correlation analysis for superresolution dynamic fingerprinting of cellular compartments using the Zeiss Airyscan detector,” NATURE COMMUNICATIONS 9: 5120 [0005]
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McGORTY, R.; KAMIYAMA, D.; HUANG, B.: Active microscope stabilization in three dimensions using image correlation. In: Opt Nano 2, 3 (2013). https://doi.org/10.1186/2192-2853-2-3 |
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---|---|---|---|
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